焦亞音 冉令坤 李娜 高守亭 周冠博

1)(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京100029)2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)3)(國(guó)家氣象中心,北京100081)

臺(tái)風(fēng)“彩虹”(2015)高分辨率數(shù)值模擬及渦旋Rossby波特征分析?

焦亞音1)2)冉令坤1)?李娜1)高守亭1)周冠博3)

1)(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京100029)2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)3)(國(guó)家氣象中心,北京100081)

(2016年10月8日收到;2016年12月16日收到修改稿)

采用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)2015年22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”進(jìn)行高分辨率的數(shù)值模擬,成功地模擬出臺(tái)風(fēng)“彩虹”的移動(dòng)路徑、強(qiáng)度和降水分布,尤其是在臺(tái)風(fēng)登陸前后,模擬結(jié)果與實(shí)況比較接近.以此為基礎(chǔ),利用模式輸出資料,分析臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力、熱力精細(xì)結(jié)構(gòu)和臺(tái)風(fēng)雨帶的宏觀特征.眼墻處具有低層徑向入流、高層徑向出流的動(dòng)力配置.在眼墻附近,同時(shí)存在切向風(fēng)速高值區(qū)、垂直上升區(qū)、正溫度距平區(qū),并隨高度向外側(cè)傾斜,雷達(dá)回波較強(qiáng),對(duì)流系統(tǒng)比較深厚.次級(jí)雨帶、主雨帶和遠(yuǎn)距離雨帶的雷達(dá)回波相對(duì)較弱,對(duì)流系統(tǒng)垂直厚度略小.再利用尺度分離方法,得到渦旋Rossby波的擾動(dòng)場(chǎng)資料,進(jìn)一步分析渦旋Rossby波的特征.1波、2波同時(shí)朝切向和徑向傳播,1波的振幅明顯大于2波.研究結(jié)果表明,1波、2波正渦度擾動(dòng)對(duì)應(yīng)強(qiáng)雷達(dá)回波,存在強(qiáng)對(duì)流活動(dòng).降水區(qū)上空的垂直渦度擾動(dòng)呈上正下負(fù)的配置,與水平散度擾動(dòng)的垂直配置相似時(shí),會(huì)加強(qiáng)低層輻合和高層輻散,有很強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng),有利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,降水增強(qiáng).1波、2波擾動(dòng)的動(dòng)力配置影響了對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展,并對(duì)降水強(qiáng)度和分布有一定的診斷作用.

渦旋Rossby波,螺旋雨帶,臺(tái)風(fēng)

1 引言

臺(tái)風(fēng)登陸前后受海洋、大氣、陸地等多種因素的影響,經(jīng)常發(fā)生路徑突變和變性,導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)[1].臺(tái)風(fēng)眼墻和螺旋雨帶處的渦旋Rossby波是臺(tái)風(fēng)內(nèi)部主要波動(dòng)之一,影響臺(tái)風(fēng)的風(fēng)雨強(qiáng)度和分布,所以臺(tái)風(fēng)渦旋Rossby波的演變特征及其影響機(jī)理是臺(tái)風(fēng)研究中一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題.

在早期的研究中,Wexler[2]和W illoughby[3]利用重力慣性波來(lái)解釋熱帶氣旋的非對(duì)稱結(jié)構(gòu).螺旋雨帶中擾動(dòng)垂直速度與擾動(dòng)氣壓相差π/2相位,符合重力波的極化理論特征,但是在移速上重力波與螺旋雨帶存在明顯的差異,重力波的波速比雨帶的移速快[4,5].MacDonald[6]在對(duì)臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶產(chǎn)生機(jī)理的研究中,首次提出了渦旋Rossby波.Guinn和Schubert[7]研究發(fā)現(xiàn),颶風(fēng)螺旋雨帶是由渦旋Rossby波的波列造成的.Montgomery和Kallenbach[8]采用WKB(Wenzel-K ramers-Brillouin)方法化簡(jiǎn)二維無(wú)黏無(wú)輻散的淺水正壓渦度方程,推導(dǎo)出渦旋Rossby波的局地頻散關(guān)系,提出了較為全面的渦旋Rossby波概念和傳播特征,即臺(tái)風(fēng)平均流造成垂直渦度的徑向梯度,導(dǎo)致一種類似于行星Rossby波的波動(dòng),該波動(dòng)在方位角方向相對(duì)于平均流順時(shí)針傳播,同時(shí)也在徑向方向上傳播.Montgomery和Enagonio[9]研究指出,渦旋的軸對(duì)稱導(dǎo)致了臺(tái)風(fēng)眼區(qū)的位渦異常,從而伴隨產(chǎn)生渦旋Rossby波,同時(shí)波動(dòng)對(duì)平均渦旋流有正反饋?zhàn)饔?Moller和Montgomery[10]進(jìn)一步驗(yàn)證了該理論.Reasor和Montgomery[11]分析了颶風(fēng)Olivia的雷達(dá)觀測(cè)資料,結(jié)果表明颶風(fēng)沿切向方向的波動(dòng)和渦旋Rossby波相類似,颶風(fēng)眼墻的旋轉(zhuǎn)和渦旋Rossby波的2波有關(guān).Chen等[12,13]對(duì)颶風(fēng)Andrew(1992)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)位渦帶的切向移動(dòng)速度接近于渦旋Rossby波的理論值.Wang等[14?17]通過(guò)理想模式研究了眼墻區(qū)的渦旋Rossby波的動(dòng)力結(jié)構(gòu),并利用渦旋Rossby波進(jìn)一步解釋了眼墻內(nèi)部的對(duì)流不對(duì)稱結(jié)構(gòu).Hall等[18]對(duì)臺(tái)風(fēng)Morakot登陸臺(tái)灣過(guò)程進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬,分析指出渦旋Rossby波與強(qiáng)對(duì)流帶在時(shí)間和位置上保持一致,并討論了它對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)的指示作用.此外,Corbosiero等[19]和Moon等[20,21]進(jìn)一步分析了渦旋Rossby波的1波、2波與臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)附近強(qiáng)對(duì)流的聯(lián)系,指出主雨帶和次級(jí)雨帶的位置和傳播機(jī)理與渦旋Rossby波的移動(dòng)發(fā)展有關(guān).

我國(guó)氣象學(xué)家也很早開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)渦旋Rossby波的研究.余志豪[22]全面概述了螺旋雨帶中渦旋Rossby波的成因.鐘科等[23]利用一次颶風(fēng)資料,采用波射線方法,揭示出渦旋Rossby波的徑向頻散特征.Xu等[24]利用擾動(dòng)黑體亮度溫度(b lack body teMperature,TBB)時(shí)間偏差分布對(duì)臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的波列結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)波列結(jié)構(gòu)具有渦旋Rossby波的特征,即在臺(tái)風(fēng)成熟階段,擾動(dòng)均從臺(tái)風(fēng)渦旋中心呈螺旋帶波狀徑向流出.朱佩君等[25]的研究表明,渦旋Rossby波對(duì)螺旋雨帶中強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展有重要作用,波動(dòng)能量的徑向耗散能夠反映臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化.沈新勇等[26?29]采用緯向基流下橫波型擾動(dòng)的二維Boussinesq方程組,推導(dǎo)得到渦旋Rossby波判據(jù);分析發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心的波動(dòng)主要做渦旋運(yùn)動(dòng),分為正壓波和斜壓波,對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的發(fā)展有指示作用.

陸漢城等[30?33]和康建偉等[34]對(duì)颶風(fēng)Andrew(1992)進(jìn)行模擬,指出臺(tái)風(fēng)內(nèi)部同時(shí)存在重力慣性波和渦旋Rossby波的混合波,并進(jìn)一步推導(dǎo)混合波的頻散關(guān)系,討論了混合波的演變規(guī)律.Zhong等[35]發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部不同區(qū)域的波動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度存在明顯差異,例如:在眼壁和內(nèi)螺旋雨帶區(qū),渦旋Rossby波的信號(hào)較強(qiáng);在外螺旋雨帶區(qū),重力波具有較大強(qiáng)度,非常活躍;在過(guò)渡區(qū)存在不可分離的重力波-渦旋Rossby波的混合波.此外,氣象學(xué)者針對(duì)眼墻和螺旋雨帶中擾動(dòng)波動(dòng)的分布、性質(zhì)、傳播過(guò)程和物理機(jī)理等展開(kāi)了一系列的深入研究,探討了渦旋Rossby波對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)、強(qiáng)度和移動(dòng)的影響[36?40].這些研究工作豐富了渦旋Rossby波的理論,加深了對(duì)臺(tái)風(fēng)中渦旋Rossby波特征及其影響的認(rèn)識(shí)和理解.

以往的研究工作主要是利用雷達(dá)觀測(cè)資料或理想數(shù)值模式資料等來(lái)研究渦旋Rossby波的結(jié)構(gòu)和成波機(jī)理等,針對(duì)我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)實(shí)際個(gè)例的研究相對(duì)較少,使得人們對(duì)渦旋Rossby波的動(dòng)力和熱力特征以及對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨影響機(jī)理的認(rèn)識(shí)和理解仍不充分,還需進(jìn)一步探索.為此,本文采用包含各種物理過(guò)程、高時(shí)空分辨率的天氣研究和預(yù)報(bào)(weather research and forecasting,WRF)中尺度數(shù)值模式,對(duì)2015年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”個(gè)例進(jìn)行數(shù)值模擬;在此基礎(chǔ)上,分析臺(tái)風(fēng)“彩虹”眼墻、螺旋雨帶以及渦旋Rossby波的結(jié)構(gòu)特征,研究臺(tái)風(fēng)登陸前后渦旋Rossby波對(duì)眼墻和螺旋雨帶變化以及地面降水的影響.

2 個(gè)例介紹

圖1 (網(wǎng)刊彩色)2015年10月4日08:00 UTC臺(tái)灣氣象局發(fā)布的關(guān)于2015年22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”的向日葵8號(hào)衛(wèi)星紅外線云圖Fig.1.(color on line)The satellite H iMawari-8 iMage of typhoon Mu jigae provided by CentralWeather Bureau,Taiwan at 08:00 UTC 4 O ctober 2015.

臺(tái)風(fēng)“彩虹”(Mu jigae)于北京時(shí)間2015年10月1日2時(shí)在菲律賓呂宋島生成,最初為熱帶低壓,隨后逐漸增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng).圖1為2015年10月4日08:00 UTC臺(tái)灣氣象局發(fā)布的關(guān)于2015年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”的向日葵8號(hào)衛(wèi)星紅外線云圖.“彩虹”于北京時(shí)間2015年10月4日14時(shí)左右在廣東湛江市坡頭區(qū)登陸,給湛江周邊地區(qū)帶來(lái)大風(fēng)和特大暴雨;同時(shí)臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流觸發(fā)小尺度龍卷,襲擊了佛山、順德、廣州番禺、汕尾和海豐等地,造成大范圍停電和人員傷亡.登陸后“彩虹”向西北方向移動(dòng),進(jìn)入廣西北部地區(qū),給途經(jīng)地區(qū)均造成大范圍強(qiáng)降水.臺(tái)風(fēng)“彩虹”途經(jīng)廣東期間,造成當(dāng)?shù)?53.4萬(wàn)人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失232.4億元.

臺(tái)風(fēng)“彩虹”受到高低空天氣系統(tǒng)的共同影響.如圖2所示,在對(duì)流層高層(200 hPa),臺(tái)風(fēng)處于反氣旋環(huán)流之中,被局地高壓所覆蓋,氣流輻散明顯,與低層臺(tái)風(fēng)氣流的氣旋式流入相配合,造成臺(tái)風(fēng)眼墻和螺旋雨帶中較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng),為臺(tái)風(fēng)及其降水的發(fā)展提供良好的動(dòng)力條件.在500 hPa的位勢(shì)高度場(chǎng)上,受到中緯度短波槽和副熱帶高壓的共同影響,短波槽緩慢東移,阻擋了臺(tái)風(fēng)快速北移;副高加強(qiáng)西移,脊線西伸北抬,一方面引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)向西北方向移動(dòng),另一方面副高西南側(cè)的東南氣流輸送暖濕氣空氣,并匯入臺(tái)風(fēng)環(huán)流.在對(duì)流層低層(850 hPa),受到西南季風(fēng)的影響,西南暖濕氣流源源不斷地輸送到臺(tái)風(fēng)環(huán)流區(qū),提供充足的水汽供應(yīng),為臺(tái)風(fēng)及其降水創(chuàng)造了有利的水汽條件.在地面圖上,中高緯度為大范圍的高壓區(qū),臺(tái)風(fēng)位于其南部邊緣,受其阻滯影響,臺(tái)風(fēng)沿著高壓邊緣向西北方向移動(dòng).

圖2 (網(wǎng)刊彩色)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)2015年10月4日00:00 UTC預(yù)報(bào)場(chǎng)資料(圖(a)—(c)中風(fēng)矢量(箭頭,m/s)、位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線,dagpm)及大風(fēng)區(qū)(陰影,m/s);圖(d)中風(fēng)矢量(箭頭,m/s)、海平面氣壓場(chǎng)(等值線,hPa)及比濕分布(陰影,g/kg))(a)200 hPa;(b)500 hPa;(c)850 hPa;(d)1000 hPaFig.2.(color on line)The NCEP analysed field at 00:00 UTC 4 O ctober 2015:(a)200 hPa;(b)500 hPa;(c)850 hPa;(d)1000 hPa.A rrow s in Figs.(a)–(d)Mark the w ind field(m/s),contours in Figs.(a)–(c)indicate geopotential height(dagpm),shades in Figs.(a)–(c)rep resent the heavy w ind(m/s),contou rs in Fig.(d)Mark sea level p ressu re(hPa),and shades in Fig.(d)rep resent specifi c huMidity(g/kg).

3 高分辨率數(shù)值模擬

以NCEP的0.5?×0.5?全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(global forecast system,GFS)預(yù)報(bào)場(chǎng)資料(間隔3 h)為背景場(chǎng),利用WRF模式對(duì)此次臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬,模式從2015年10月1日18:00UTC開(kāi)始積分,到10月5日12:00 UTC結(jié)束,共計(jì)90 h.模擬區(qū)域?yàn)閮蓪訂蜗蚯短?如圖3所示,模式區(qū)域涵蓋了“彩虹”生成、發(fā)展、登陸的整個(gè)過(guò)程,區(qū)域1(D 01)的水平分辨率為4 km,格點(diǎn)數(shù)為1501×1101×51,模式資料輸出間隔為5 Min.區(qū)域2(D02)的水平分辨率為1.333 km,格點(diǎn)數(shù)為811×691×51,兩區(qū)域的垂直層數(shù)均為51層.采用的物理過(guò)程包括WSM6-Class微物理參數(shù)化方案、CAM長(zhǎng)波輻散方案、CAM短波輻散方案、Pleim-Xiu陸面模式方案和ACM2(Pleim)邊界層方案.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)模擬區(qū)域示意圖Fig.3.(color on line)The illustration of the nuMerical siMu lation area.

采用日本氣象廳(JMA)和中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)所(CMA)發(fā)布的觀測(cè)資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn).圖4(a)為模擬與觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)路徑.由圖4(a)可知,除了3日18:00 UTC模擬路徑略偏南之外,其他時(shí)刻模擬路徑與觀測(cè)的最佳路徑比較接近,模擬的臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)間和登陸地點(diǎn)與觀測(cè)結(jié)果幾乎一致.同時(shí)刻模擬與觀測(cè)的路徑偏差在50 km以內(nèi),因此臺(tái)風(fēng)路徑的模擬是比較成功的.臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度通常用臺(tái)風(fēng)中心氣壓和近地面最大風(fēng)速來(lái)表示,圖4(b)為模擬與觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)中心氣壓隨時(shí)間的變化.如圖4(b)所示,模擬與觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)中心氣壓隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致,在4日06:00 UTC達(dá)到極小值940 hPa,本次模擬較好地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)在登陸廣東湛江之前的加強(qiáng)過(guò)程.在登陸之后的衰減過(guò)程中,模擬的中心氣壓較JMA的觀測(cè)略偏強(qiáng),但二者偏差不超過(guò)10 hPa;模擬的中心氣壓較CMA的觀測(cè)略偏弱,但二者偏差不超過(guò)15 hPa.圖4(c)為模擬和觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速的時(shí)間演變,模擬和觀測(cè)的最大風(fēng)速都具有先增強(qiáng)再衰減的變化特點(diǎn),并且都在4日06:00 UTC達(dá)到極大值.在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段,模擬的最大風(fēng)速略大于JMA觀測(cè)的最大風(fēng)速,而在衰減階段,模擬的最大風(fēng)速略小于JMA觀測(cè)的最大風(fēng)速.在3日12:00 UTC之后,模擬的最大風(fēng)速與觀測(cè)結(jié)果的偏差小于5m/s;在3日12:00 UTC之前,模擬的最大風(fēng)速略大于CMA觀測(cè)的最大風(fēng)速,而在3日12:00 UTC之后,模擬的最大風(fēng)速略小于CMA觀測(cè)的最大風(fēng)速.總體來(lái)看,模擬結(jié)果不管是與JMA觀測(cè)資料還是與CMA觀測(cè)資料對(duì)比,都較為一致,此次模擬成功地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)“彩虹”移動(dòng)路徑、中心氣壓和最大風(fēng)速的變化.

圖5為10月4日模擬與觀測(cè)的6 h降水量的分布.從圖5可以看出,廣東省中西部和廣西省中東部降水區(qū)的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果比較符合,但模擬的降水強(qiáng)度略偏強(qiáng).4日00:00—06:00 UTC期間廣東西部沿海的模擬降水量都在100 mm以上,與觀測(cè)的降水量接近,但在廣東中部的佛山和中山等地,模擬降水量偏大;4日06:00—12:00 UTC廣東西南部的湛江、陽(yáng)江、江門等地模擬的降水量偏大,大部分在100 mm以上,而實(shí)況雨量在60—100 mm之間;4日12:00—18:00 UTC廣西東部以及廣東西南部模擬強(qiáng)降水中心分布與實(shí)況比較接近,但是范圍和強(qiáng)度比觀測(cè)結(jié)果略大.雖然模擬的6 h累計(jì)降水與觀測(cè)存在一些細(xì)節(jié)差異,但總體上模擬降水的變化趨勢(shì)與實(shí)況比較一致,較為成功地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)暴雨的發(fā)展演變過(guò)程.

通過(guò)以上臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度以及6 h累計(jì)降水分布等方面的對(duì)比分析可以看出,此次數(shù)值模擬成功地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)“彩虹”的發(fā)展演變以及登陸過(guò)程,模式輸出的高時(shí)空分辨率資料可以為后續(xù)分析臺(tái)風(fēng)精細(xì)化結(jié)構(gòu),研究渦旋Rossby波的特征提供可靠數(shù)據(jù).

圖5 (網(wǎng)刊彩色)2015年10月4日00:00 UTC—18:00 UTC(a),(b),(c)實(shí)況和(d),(e),(f)模擬地面6 h累計(jì)降水量的分布Fig.5.(color on line)(a),(b),(c)Observed and(d),(e),(f)siMu lated 6-h accuMu lated surface rain fall froM00:00 UTC to 18:00 UTC 4 October 2015.

4 臺(tái)風(fēng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)

4.1 臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力、熱力精細(xì)結(jié)構(gòu)

利用高時(shí)空分辨率的模式輸出資料,進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力、熱力垂直結(jié)構(gòu).圖6是臺(tái)風(fēng)登陸前、登陸時(shí)、登陸后方位角平均的切向風(fēng)、徑向風(fēng)、垂直速度和溫度的徑向垂直分布.如圖6所示,在臺(tái)風(fēng)登陸前,最大風(fēng)速半徑(radius ofmaximuMw ind,RMW)為30—50 km,最大切向風(fēng)速在對(duì)流層底層為50 m/s;切向風(fēng)速高值區(qū)隨高度向臺(tái)風(fēng)外側(cè)傾斜,說(shuō)明切向風(fēng)垂直切變顯著.底層的徑向風(fēng)在RMW處及其外側(cè)為徑向入流,高層的徑向風(fēng)在RMW處及其外側(cè)為徑向出流,形成底層輻合、高層輻散的動(dòng)力配置.在RMW附近出現(xiàn)垂直上升區(qū),并隨高度增加向外傾斜,最大上升垂直速度出現(xiàn)在高層;上升區(qū)的內(nèi)側(cè)為傾斜相對(duì)較弱的補(bǔ)償下沉區(qū).在水汽相變釋放凝結(jié)潛熱和眼區(qū)內(nèi)下沉氣流增溫共同作用下,中高層6 km高度存在明顯的暖心結(jié)構(gòu),最大的正溫度距平為3?C,臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的范圍位于最大切向風(fēng)速半徑內(nèi)側(cè),有明顯的水平溫度梯度,正溫度距平的徑向范圍也隨高度向外擴(kuò)展,這是因?yàn)楦邔友蹓ο蛲鈨A斜.低層眼區(qū)正溫度距平較小,這可能與眼墻外負(fù)距平的冷空氣流入有關(guān).

在臺(tái)風(fēng)登陸期間,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增大.低層最大切向風(fēng)速增大到60 m/s,最大切向風(fēng)半徑縮小,即眼區(qū)收縮,低層徑向入流和高層徑向出流有所增強(qiáng),低層輻合和高層輻散都增強(qiáng);同時(shí)高層的最大垂直上升速度中心略微減弱,眼墻處中層出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)的次級(jí)中心,強(qiáng)垂直上升區(qū)伸展到眼墻低層.隨著云微物理過(guò)程釋放的熱量增加,眼區(qū)暖心位置升高至8 km高度,正溫度距平增大,眼墻附近的水平溫度梯度變大,說(shuō)明臺(tái)風(fēng)暖心強(qiáng)度增強(qiáng).

臺(tái)風(fēng)登陸之后,受到復(fù)雜下墊面的影響,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度明顯減弱.低層最大切向風(fēng)速下降到50 m/s,低層和高層徑向風(fēng)以及垂直上升速度都明顯減小,說(shuō)明臺(tái)風(fēng)的垂直徑向環(huán)流逐步變?nèi)?垂直上升中心降低到對(duì)流層低層,偏離最大切向風(fēng)半徑,更靠近眼區(qū),說(shuō)明眼區(qū)被垂直上升氣流填充.臺(tái)風(fēng)暖心中心進(jìn)一步抬升至9 km高度,正溫度距平減小,眼墻內(nèi)外溫度梯度變小,在不利的動(dòng)力和熱力配置下,臺(tái)風(fēng)開(kāi)始逐漸消散.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)臺(tái)風(fēng)登陸前(10月4日00:00 UTC)、登陸時(shí)(10月4日06:00 UTC)、登陸后(10月4日09:00 UTC)(a),(b),(c)切向風(fēng)(m/s);(d),(e),(f)徑向風(fēng)(m/s,流入為正);(g),(h),(i)垂直速度(m/s);(j),(k),(l)溫度異常(?C)方位角平均的徑向-高度垂直分布Fig.6.(color on line)The overall axially symMetric structure of the nuMerically siMu lated tropical cyclone before land fall(00:00 UTC 4 October),du ring land fall(06:00 UTC 4 O ctober),after land fall(09:00 UTC 4 October).The figures are height-radius cross sections of the aziMuthalMean of(a),(b),(c)tangentialw ind(m/s),(d),(e),(f)radialw ind(m/s,in fl ow positive),(g),(h),(i)verticalMotion(m/s),and(j),(k),(l)teMperatu re anoMaly(?C).

4.2 臺(tái)風(fēng)雨帶的宏觀特征

成熟的熱帶氣旋通常由無(wú)云或少云的眼區(qū)、有深對(duì)流活動(dòng)的眼墻以及外圍的螺旋雨帶組成.根據(jù)螺旋雨帶的結(jié)構(gòu)和范圍,從眼墻向外的螺旋雨帶可依次劃分為眼墻處的混合雨帶、次級(jí)雨帶、主雨帶和遠(yuǎn)距離雨帶[41].圖7(a)為臺(tái)風(fēng)登陸前10月4日00:00 UTC華南地區(qū)的雷達(dá)組合反射率分布(由中國(guó)天氣網(wǎng)提供),圖7(b)為模擬的雷達(dá)組合反射率分布.從圖7(a)和圖7(b)可以看出,模擬臺(tái)風(fēng)中心位置及眼墻、雨帶的分布形態(tài)與實(shí)況基本一致.臺(tái)風(fēng)“彩虹”登陸前,從眼墻處(C處)向外依次分布多條帶狀的次級(jí)雨帶(D處)、帶狀主雨帶(E處)、遠(yuǎn)距離雨帶(F處),這是典型的螺旋雨帶結(jié)構(gòu).圖7(c)和圖7(d)分別為沿圖7(b)中AB直線的雷達(dá)反射率和垂直速度的垂直分布.眼墻處混合雨帶(C處)的雷達(dá)回波從低層向外輕微地傾斜延伸至高層(圖7(c)),其中臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)眼墻的雷達(dá)回波最強(qiáng),垂直高度可達(dá)14.4 km,代表旺盛發(fā)展的深對(duì)流,臺(tái)風(fēng)東側(cè)眼墻的雷達(dá)回波相對(duì)較弱,垂直高度約為8.3 km,代表趨于減弱的對(duì)流系統(tǒng),這是因?yàn)殡S著臺(tái)風(fēng)中心的西移,臺(tái)風(fēng)東側(cè)的環(huán)流將經(jīng)歷減弱西移的過(guò)程;臺(tái)風(fēng)東側(cè)次級(jí)雨帶(D處)的雷達(dá)回波則相對(duì)較弱,為40—50 dBZ,主要出現(xiàn)在對(duì)流層的低層;東側(cè)主雨帶(E處)和遠(yuǎn)距離雨帶(F處)的雷達(dá)回波呈陡立的柱狀結(jié)構(gòu),垂直伸展到8 km高度左右,強(qiáng)回波區(qū)主要位于中低層.強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在眼墻處(圖7(d)),上升區(qū)垂直伸展到16.5 km高度;西部眼墻幾乎整層都為顯著的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),東部眼墻3—14.4 km高度處上升運(yùn)動(dòng)比較明顯.次級(jí)雨帶(D處)的上升運(yùn)動(dòng)較弱,上升區(qū)淺薄,出現(xiàn)在對(duì)流層中低層.主雨帶(E處)的強(qiáng)上升區(qū)出現(xiàn)在8.3—14.4 km高度,上升速度明顯小于眼墻區(qū)的垂直速度,其下方為弱下沉區(qū),表明該上升區(qū)將發(fā)生衰減,原因在于缺乏低層的垂直輸送.遠(yuǎn)距離雨帶(F處)存在對(duì)流單體,其上升速度中心出現(xiàn)在5 km高度附近,作為孤立系統(tǒng),由于沒(méi)有形成組織化,后來(lái)逐漸減弱消失.從環(huán)流結(jié)構(gòu)上看(圖7(e)—(f)),對(duì)于臺(tái)風(fēng)西側(cè)的眼墻(圖7(e)),存在上下兩支由西向東的入流經(jīng)過(guò)強(qiáng)對(duì)流區(qū),下支從其西側(cè)4 km以下高度流入眼墻并加速,在眼墻的內(nèi)側(cè)迅速減弱,形成眼墻外側(cè)輻散、內(nèi)側(cè)輻合的特點(diǎn).上支在其西側(cè)8—10 km高度進(jìn)入眼墻,并進(jìn)一步分成兩支氣流,一支穿過(guò)眼墻流入眼內(nèi),形成弱下沉氣流;另一支傾斜上升,一部分在高層轉(zhuǎn)為東風(fēng)出流,一部分在高層轉(zhuǎn)為臺(tái)風(fēng)眼區(qū)的西風(fēng)下沉氣流.對(duì)于臺(tái)風(fēng)東側(cè)眼墻(圖7(e)),2—4 km高度眼區(qū)內(nèi)西風(fēng)氣流與東風(fēng)氣流輻合在眼墻的強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū),產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),部分上升氣流在中高層轉(zhuǎn)為大范圍的西風(fēng)出流,8 km高度附近部分上升氣流轉(zhuǎn)為流向眼區(qū)的東風(fēng)入流.在10—12 km高度眼區(qū)內(nèi)西風(fēng)徑向出流與眼墻上升氣流匯合,加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),大部分氣流傾斜上升,形成眼墻外側(cè)的西風(fēng)出流,還有少部分上升氣流在16 km高層轉(zhuǎn)為東風(fēng)氣流進(jìn)入眼區(qū),在眼區(qū)下沉.此外,東側(cè)眼墻的環(huán)流結(jié)構(gòu)與臺(tái)風(fēng)西側(cè)眼墻具有不同的特點(diǎn),眼區(qū)內(nèi)氣流對(duì)東側(cè)眼墻內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展也有貢獻(xiàn),臺(tái)風(fēng)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)明顯.在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的主雨帶中(圖7(f)),6 km高度以下氣流以東風(fēng)入流為主,6—14 km高度的氣流主要為西風(fēng),從眼墻流向主雨帶,并在主雨帶上空傾斜上升,在主雨帶的外側(cè)轉(zhuǎn)為大范圍的西風(fēng)出流.由于低層輻合和高層輻散較弱,上升運(yùn)動(dòng)不強(qiáng),以至于沒(méi)有足夠的低層暖濕氣流被輸送到高層,所以該雨帶的對(duì)流活動(dòng)將逐漸減弱消散.綜上所述,臺(tái)風(fēng)眼墻是強(qiáng)對(duì)流的集中帶,垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,對(duì)流系統(tǒng)比較深厚.次級(jí)雨帶、主雨帶和遠(yuǎn)距離雨帶的雷達(dá)回波相對(duì)較弱,對(duì)流系統(tǒng)垂直厚度略小.

5 渦旋Rossby波的識(shí)別和特征分析

基本態(tài)位渦的徑向梯度能產(chǎn)生類似行星Rossby波的波動(dòng),即渦旋Rossby波.Montgomery和Kallenbach[8]采用柱坐標(biāo)下簡(jiǎn)化的線性f平面正壓無(wú)輻散渦度方程解釋了渦旋Rossby理論,即

式中u′,ζ′分別為擾動(dòng)徑向速度和渦度,(r)為基本流的切向速度,ηˉ為基本氣流的絕對(duì)渦度.類比行星Rossby波成波機(jī)理(β=d f/d y),當(dāng)基本氣流絕對(duì)渦度具有dηˉ/d r<0分布時(shí),f平面上的臺(tái)風(fēng)基本流上會(huì)出現(xiàn)渦旋Rossby波.因此,垂直渦度擾動(dòng)或位渦擾動(dòng)可以作為渦旋Rossby波的代表物理量,常被用來(lái)分析研究渦旋Rossby波的結(jié)構(gòu)和演變特征[12,14].

圖7 (網(wǎng)刊彩色)(a)10月4日00:00 UTC時(shí)觀測(cè)的雷達(dá)組合反射率分布;(b)模擬的雷達(dá)組合反射率分布;(c),(d)沿圖(b)AB線的雷達(dá)反射率、垂直速度的垂直剖面;(e),(f)眼墻西側(cè)、眼墻東側(cè)及次級(jí)雨帶、主雨帶的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu),陰影為雷達(dá)反射率Fig.7.(color on line)(a)Observed radar coMposite refl ectivity at 00:00 UTC 4 O ctober 2015;(b)siMu lated radar coMposite refl ectivity;vertical cross section of(c)radar refl ectivity and(d)vertical velocity along AB line in Fig.(b);(e),(f)the zonal-vertical circu lation of the eye wall on the west side and east side of the eye for the secondary rainband and the p rincipal rainband,and the shaded area show s radar refl ectivity.

5.1 尺度分離方法

利用上述高分辨率數(shù)值模擬輸出資料診斷分析臺(tái)風(fēng)“彩虹”內(nèi)部渦旋Rossby波的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).如何從模擬資料中分離出渦旋Rossby波是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.Corbosiero等[19]采用快速傅里葉分解的方法從颶風(fēng)Elena(1985)雷達(dá)觀測(cè)資料中分離出不同尺度的波動(dòng),并檢驗(yàn)了渦旋Rossby波的波動(dòng)特征.采用類似的方法對(duì)模擬輸出資料進(jìn)行尺度分離,獲得渦旋Rossby波的擾動(dòng)場(chǎng)資料,具體步驟如下.

1)利用模擬資料計(jì)算垂直渦度和水平散度等相關(guān)物理量.

2)將上述物理量插值到以臺(tái)風(fēng)中心為原點(diǎn)的柱坐標(biāo)系中,在方位角方向?qū)Υ怪睖u度、水平散度和垂直速度等物理量進(jìn)行快速傅里葉變換,計(jì)算出各物理量的不同波數(shù)擾動(dòng)分量,將空間域轉(zhuǎn)換到波數(shù)域;再通過(guò)傅里葉逆變換,重構(gòu)渦旋Rossby波.

3)將各波數(shù)擾動(dòng)分量插值到局地直角坐標(biāo)系.

5.2 渦旋Rossby波的特征

Lin等[42]的研究表明,切向方向1波、2波主要分布在臺(tái)風(fēng)眼墻附近,因?yàn)樵撎幍奈粶u徑向梯度比較明顯,因此這些波動(dòng)具有明顯的渦旋Rossby波特征.

圖8為10月4日00:00—09:00 UTC時(shí)3 km高度1波、2波垂直渦度擾動(dòng)在RMW處(距離臺(tái)風(fēng)中心30 km)的切向-時(shí)間演變圖.從圖8可以看出,1波、2波大部分時(shí)間段都有隨時(shí)間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn),但是1波的切向移動(dòng)相對(duì)較慢,特別是臺(tái)風(fēng)登陸前后(C1,C3).只有在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)(C2)的4日04:00—06:00 UTC時(shí)段內(nèi)切向移動(dòng)相對(duì)較快,先逆時(shí)針移動(dòng),之后有短暫的順時(shí)針移動(dòng),時(shí)間周期大約是1 h;在登陸之后(C3),切向移動(dòng)基本停止,切向移速幾乎為0.2波的切向移動(dòng)比1波快得多,在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)(C2),2波切向移動(dòng)明顯快于其他兩個(gè)時(shí)間段(C1,C3).從圖8(b)中黑實(shí)線的位置可以估計(jì)2波的切向移速,約為36.9 m/s,當(dāng)時(shí)最大切向風(fēng)速約為70 m/s,因此2波的切向相速度約為RMW處切向風(fēng)速的52.1%,即2波相速大約是最大切向風(fēng)速的一半,這與文獻(xiàn)[11,43]推導(dǎo)的2波切向傳播速度相一致,符合Lamb[44]提出的計(jì)算蘭金渦中的線性不連續(xù)渦度波動(dòng)的相速度,其計(jì)算公式為

圖8 (網(wǎng)刊彩色)10月4日00:00—09:00 UTC 3 km高度距離臺(tái)風(fēng)中心30 km(a)1波,(b)2波垂直渦度擾動(dòng)的方位角方向隨時(shí)間的演變.其中黑實(shí)線代表2波正渦度擾動(dòng)在切向方向上的傳播.C1,C2,C3代表臺(tái)風(fēng)登陸前、登陸時(shí)、登陸后三個(gè)階段Fig.8.(color on line)The tiMe evolu tion of aziMu th cross section in(a)wavenuMber 1 and(b)wavenuMber 2 vertical vorticity over the radial range of 30 kMfroMthe centre of Mujigae at 3 kMfroM00:00 UTC to 09:00 UTC 4 O ct 2015.The b lack solid line follow s the positive wavenuMber 2 vertical vorticity anoMaly and the rotation of the ellip tical eye.C 1,C2,C3 rep resent three periods,before land fall(froM00:00 UTC to 03:00 UTC 4 Oct),du ring land fall(froM03:00 UTC to 06:30 UTC 4 O ct),and after land fall(froM06:30 UTC to 09:00 UTC 4 Oct).

式中Cλ為波動(dòng)的相速度,Vmax為最大切向風(fēng)速,n為切向波數(shù).在4日03:00 UTC附近出現(xiàn)的1波、2波相位迅速發(fā)生改變,主要是由于眼壁內(nèi)的波動(dòng)向外傳播導(dǎo)致眼壁和眼壁內(nèi)的位渦混合,眼壁附近位渦減弱;隨后眼壁對(duì)流繼續(xù)產(chǎn)生高值位渦,并且重新發(fā)展眼壁外的渦旋Rossby波活動(dòng),同時(shí)眼壁內(nèi)的波動(dòng)向內(nèi)傳播[45].

圖9為1波、2波垂直渦度擾動(dòng)在方位角180?(即臺(tái)風(fēng)中心西側(cè))最大風(fēng)速半徑處的徑向-時(shí)間剖面,初始時(shí)刻為10月4日00:00 UTC,黑色虛線代表最大風(fēng)速半徑的3倍處(停滯半徑).1波與2波擾動(dòng)的高值區(qū)隨時(shí)間向臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng),與臺(tái)風(fēng)眼墻收縮有密切關(guān)系.與2波相比,1波的徑向傳播相對(duì)靜止,但在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)(C2)存在明顯的內(nèi)傳特征.2波在C1的前中段和C2的后段沿徑向向內(nèi)傳播,在C1的后段和C2的前中段沿徑向向外傳播,在臺(tái)風(fēng)登陸之后(C3),2波的徑向傳播相對(duì)較弱.波動(dòng)的徑向移動(dòng)最遠(yuǎn)不超過(guò)停滯半徑,這與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果相符合,即波動(dòng)徑向傳播消失的臨界為RMW的3倍.1波擾動(dòng)的分布主要集中在徑向距離30 km處的眼墻附近,2波擾動(dòng)則主要集中在眼墻和次級(jí)雨帶附近.另外根據(jù)圖9(b)中的黑色實(shí)線可以計(jì)算出登陸前2波的徑向傳播速度為5—8 m/s,這與螺旋雨帶徑向移速的量級(jí)一致,符合渦旋Rossby波特征[8,13].

圖10為10月4日00:00—09:00 UTC時(shí)3 km高度垂直渦度擾動(dòng)在RMW處不同波數(shù)的振幅-時(shí)間序列,涵蓋了臺(tái)風(fēng)登陸的整個(gè)過(guò)程.總體來(lái)說(shuō),RMW區(qū)域主要受0波(即平均流)的控制,0波的強(qiáng)度是其他非對(duì)稱擾動(dòng)振幅的3—5倍.在非對(duì)稱擾動(dòng)中,隨著波數(shù)的增加,波能量減小.這與文獻(xiàn)[12,16]的研究結(jié)果較為一致.1波的能量明顯比2波和3波大,但是在臺(tái)風(fēng)登陸之前4日02:05—02:45 UTC(即橫坐標(biāo)范圍25—33),臺(tái)風(fēng)登陸期間4日05:45—06:25 UTC(即橫坐標(biāo)范圍57—65),與登陸之后4日08:00—08:40 UTC(即橫坐標(biāo)范圍96—104)相比,1波和2波的振幅差距較小,擾動(dòng)傳播的能量也相差不大.

有研究指出,臺(tái)風(fēng)中的眼墻和渦旋雨帶與渦旋Rossby波(渦度帶)無(wú)論是在移動(dòng)速度上還是空間分布上都有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[12,25],渦旋Rossby波可用來(lái)診斷分析臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水的位置和移動(dòng)[18].為此,本文進(jìn)一步細(xì)致地分析渦旋Rossby波與眼墻及次級(jí)雨帶中深對(duì)流發(fā)生發(fā)展的關(guān)系.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)10月4日00:00—09:00 UTC 3 km高度方位角180?方向(a)1波、(b)2波垂直渦度擾動(dòng)的徑向隨時(shí)間的演變.其中黑色折線代表2波正渦度擾動(dòng)徑向方向的傳播,虛線代表停滯半徑.C1,C 2,C 3代表臺(tái)風(fēng)登陸前、登陸時(shí)、登陸后三個(gè)階段Fig.9.(color on line)The tiMe evolu tion of a rad ial cross section in(a)wavenuMber 1 and(b)wavenuMber 2 vertical vorticity toward the west of the centre of Mu jigae at 3 kMfroM00:00 UTC to 09:00 UTC 4 Oct 2015.The solid b lack curve tracks the radial ou tward-p ropagating asymMetry of wavenuMber 2,and the dashed lineMarks the stagnation radius of vortex Rossby waves.C1,C2,C3 represent three periods,before land fall(froM00:00 UTC to 03:00 UTC 4 Oct),during land fall(froM03:00 UTC to 06:30 UTC 4 O ct),and after land fall(froM06:30 UTC to 09:00 UTC 4 Oct).

圖10 (網(wǎng)刊彩色)2015年10月4日00:00—09:00 UTC波數(shù)為0—3的波眼墻區(qū)(30—50 km)垂直渦度擾動(dòng)的振幅譜Fig.10.(color on line)AMp litude of vorticity coMponents in azimuthal wavenumbers 0–3 over the radial range of 30—50 kMfroMthe center of typhoon froM00:00 UTC to 09:00 UTC 4 O ct 2015.

圖11(網(wǎng)刊彩色)10月4日臺(tái)風(fēng)登陸前(a)02:05 UTC,(b)02:25 UTC,(c)02:45 UTC;臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)(d)05:45 UTC,(e)06:05 UTC,(f)06:25 UTC;臺(tái)風(fēng)登陸后(g)08:00 UTC,(h)08:20 UTC,(i)08:40 UTC 3 km高度1波垂直渦度擾動(dòng)和3 km高度雷達(dá)反射率的對(duì)比.其中陰影為雷達(dá)反射率,等值線為垂直渦度擾動(dòng)(10?4 s?1)Fig.11.(color on line)Model radar refl ectivity(shaded)and asymMetric relative vorticity(contou r,10?4 s?1)at 3 kMin wavenuMber 1 before land fall(a)02:05 UTC,(b)02:25 UTC,(c)0245 UTC;during land fall(d)05:45 UTC,(e)06:05 UTC,(f)06:25 UTC;and after land fall(g)08:00 UTC,(h)08:20 UTC,(i)08:40 UTC.

圖11 為臺(tái)風(fēng)登陸前(10月4日02:05—02:45 UTC)、登陸時(shí)(10月4日05:45—06:25 UTC)、登陸后(10月4日08:00—08:40 UTC)3 km高度的1波垂直渦度擾動(dòng)和雷達(dá)反射率的分布.由圖9可知,1波擾動(dòng)的徑向傳播范圍較小,在眼墻處受到抑制,1波主要集中在徑向距離30 km處的眼墻附近,1波擾動(dòng)與眼墻處的對(duì)流組織沿切向方向在大部分時(shí)間段保持一致地逆時(shí)針移動(dòng),但1波擾動(dòng)的切向移動(dòng)速度明顯比對(duì)流組織的切向移動(dòng)速度小.在登陸之前,如圖11所示,1波擾動(dòng)結(jié)構(gòu)較松散,環(huán)流中心范圍較大.圖中A,B代表眼墻內(nèi)的兩處強(qiáng)對(duì)流單體.02:05 UTC時(shí)強(qiáng)雷達(dá)回波A處有1波負(fù)渦度擾動(dòng),其內(nèi)側(cè)存在較強(qiáng)的1波正渦度擾動(dòng),強(qiáng)回波B處有明顯的正渦度擾動(dòng).02:25 UTC時(shí),A處逐漸出現(xiàn)1波正渦度擾動(dòng),回波強(qiáng)度減弱.B處受1波負(fù)渦度擾動(dòng)的影響,回波強(qiáng)度增強(qiáng).到02:45 UTC時(shí),B處主要為1波負(fù)渦度擾動(dòng)區(qū),其內(nèi)側(cè)為1波正渦度擾動(dòng),回波結(jié)構(gòu)逐漸整齊,強(qiáng)度增強(qiáng);A處主要受到較強(qiáng)的1波正渦度擾動(dòng)作用,回波強(qiáng)度進(jìn)一步減弱.在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí),1波結(jié)構(gòu)緊湊,環(huán)流中心進(jìn)一步收縮,強(qiáng)回波區(qū)通常伴隨有1波正渦度擾動(dòng),二者具有明顯的相關(guān)性,對(duì)流活動(dòng)明顯.在臺(tái)風(fēng)登陸之后,1波影響范圍擴(kuò)大,臺(tái)風(fēng)中心環(huán)流結(jié)構(gòu)變得松散,非對(duì)稱特征顯著,1波的切向移動(dòng)明顯變得很緩慢,1波正渦度擾動(dòng)對(duì)應(yīng)強(qiáng)雷達(dá)回波,存在強(qiáng)對(duì)流活動(dòng).

圖12(網(wǎng)刊彩色)10月4日臺(tái)風(fēng)登陸前(a)02:05 UTC,(b)02:25 UTC,(c)02:45 UTC;臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)(d)05:45 UTC,(e)06:05 UTC,(f)06:25 UTC;臺(tái)風(fēng)登陸后(g)08:00 UTC,(h)08:20 UTC,(i)08:40 UTC 3 km高度2波垂直渦度擾動(dòng)和3 km高度雷達(dá)反射率的對(duì)比.其中陰影為雷達(dá)反射率,等值線為垂直渦度擾動(dòng)(10?4 s?1)Fig.12.(color on line)Model radar refl ectivity(shaded)and asymMetric relative vorticity(contou r,10?4 s?1)at 3 kMin wavenuMber 2 before land fall(a)02:05 UTC,(b)02:25 UTC,(c)02:45 UTC;du ring land fall(d)05:45 UTC,(e)06:05 UTC,(f)06:25 UTC;and after land fall(g)08:00 UTC,(h)08:20 UTC,(i)08:40 UTC.

圖12 為2波擾動(dòng)的情況.由圖9可知,2波主要集中在眼墻和次級(jí)雨帶附近,2波擾動(dòng)與眼墻和次級(jí)雨帶處的對(duì)流組織沿切向方向同樣在大部分時(shí)間段保持一致地逆時(shí)針移動(dòng),但2波擾動(dòng)的切向移動(dòng)速度明顯比對(duì)流組織的切向移動(dòng)速度小.在臺(tái)風(fēng)登陸之前,2波影響范圍與眼墻、次級(jí)雨帶范圍一致,2波正渦度擾動(dòng)高值區(qū)覆蓋眼墻、次級(jí)雨帶的強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū);臺(tái)風(fēng)登陸時(shí),2波影響范圍縮小,渦度擾動(dòng)高值區(qū)主要集中在眼區(qū),眼墻、次級(jí)雨帶強(qiáng)回波區(qū)伴隨較弱的2波擾動(dòng);臺(tái)風(fēng)登陸之后,2波擾動(dòng)的高值區(qū)依然位于臺(tái)風(fēng)眼區(qū),強(qiáng)回波區(qū)的2波擾動(dòng)較弱,但基本上對(duì)應(yīng)2波正渦度擾動(dòng).由圖11和圖12的對(duì)比可看出,1波和2波渦度擾動(dòng)與對(duì)流系統(tǒng)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在臺(tái)風(fēng)登陸前,強(qiáng)回波區(qū)存在1波、2波的正負(fù)渦度擾動(dòng),情況比較復(fù)雜,但由散度方程可知,正渦度擾動(dòng)有利于散度增長(zhǎng),加強(qiáng)低層輻散,不利于產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng),抑制對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展;而負(fù)渦度擾動(dòng)使得散度減小,加強(qiáng)低層輻合,利于產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng),促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展.在登陸期間以及登陸后,強(qiáng)回波區(qū)與1波、2波的正渦度擾動(dòng)有更好的相關(guān)性.這可能是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)登陸受到下墊面的影響而逐漸削弱.同時(shí),正渦度擾動(dòng)造成散度增長(zhǎng),中低層氣流的輻散增強(qiáng),由此導(dǎo)致眼墻及其外側(cè)出現(xiàn)中低層氣流輻合增強(qiáng),垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展;負(fù)渦度擾動(dòng)高值區(qū)外側(cè)的對(duì)流較弱,則是由于1波、2波正渦度擾動(dòng)造成眼墻中低層輻散運(yùn)動(dòng)趨于增強(qiáng),垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱,對(duì)流系統(tǒng)得到抑制,這在后文分析中也得到驗(yàn)證.

圖13為模擬的臺(tái)風(fēng)登陸前(10月4日02:05—02:45 UTC),登陸期間(10月4日05:45—06:25 UTC),登陸后(10月4日08:00—08:40 UTC)的5 Min累計(jì)地面降水量.與雷達(dá)回波相符合,在登陸前幾小時(shí),降水量高值區(qū)主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)東側(cè)眼墻內(nèi),并且強(qiáng)降水區(qū)切向移動(dòng),與1波和2波渦度擾動(dòng)切向移動(dòng)的方向一致,都為逆時(shí)針移動(dòng).在登陸期間,強(qiáng)降水區(qū)主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)西側(cè)眼墻內(nèi),穩(wěn)定少動(dòng).在臺(tái)風(fēng)登陸后,強(qiáng)降水區(qū)影響范圍進(jìn)一步減小,強(qiáng)降水區(qū)與3 km高度的強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)都位于臺(tái)風(fēng)中心的西北側(cè).

圖13(網(wǎng)刊彩色)10月4日臺(tái)風(fēng)登陸前(a)02:05 UTC,(b)02:25 UTC,(c)02:45 UTC;登陸期間(d)05:45 UTC,(e)06:05 UTC,(f)06:25 UTC;登陸后(g)08:00 UTC,(h)08:20 UTC,(i)08:40 UTC的5分鐘累計(jì)降水量Fig.13.(color on line)SiMu lated 5-Min accuMu lated surface rain fall before land fall(a)02:05 UTC,(b)02:25 UTC,(c)02:45 UTC;du ring land fall(d)05:45 UTC,(e)06:05 UTC,(f)06:25 UTC;and after land fall(g)08:00 UTC,(h)08:20 UTC,(i)08:40 UTC.

圖14 所示為臺(tái)風(fēng)登陸前、登陸期間、登陸后1波的垂直渦度擾動(dòng)、水平散度擾動(dòng)和垂直速度擾動(dòng)經(jīng)過(guò)圖13中AB黑色實(shí)線垂直剖面內(nèi)的分布.如圖14所示,眼墻上空1波擾動(dòng)物理量隨高度徑向向外傾斜,這與圖7中眼墻的垂直結(jié)構(gòu)類似.在臺(tái)風(fēng)登陸前,徑向30 km眼墻處的5 Min累計(jì)降水量超過(guò)10 mm,為強(qiáng)降水區(qū),其上空4 km高度以上為散度擾動(dòng)正高值區(qū),其下主要為負(fù)高值區(qū),中低層大氣輻合,高層大氣輻散,眼墻處強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)與之對(duì)應(yīng).位于強(qiáng)降水區(qū)西部的低層正渦度擾動(dòng)高值區(qū),隨高度向外傾斜,延伸至中高層,其下為低層傾斜向上伸展的負(fù)渦度擾動(dòng).這兩條正負(fù)渦度擾動(dòng)帶幾乎與正負(fù)散度帶同相位重疊,根據(jù)散度方程可知,上層的正渦度擾動(dòng)促進(jìn)散度增長(zhǎng),高層輻散加強(qiáng);下層的負(fù)渦度擾動(dòng)促進(jìn)負(fù)散度增加,低層輻合增強(qiáng),結(jié)果使得垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,降水量在短時(shí)間內(nèi)有可能增大.強(qiáng)降水中心低層2 km高度以下存在散度擾動(dòng)正值區(qū),強(qiáng)度較弱,其上為負(fù)值區(qū),代表下層輻散,上層輻合,因此在近地面層產(chǎn)生弱下沉運(yùn)動(dòng),同時(shí)渦度擾動(dòng)在該高度為負(fù)值,使得正散度擾動(dòng)趨于減小,輻散減弱,削弱了下沉氣流對(duì)對(duì)流的抑制作用.在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí),眼墻處的5 Min累計(jì)降水量不足6 mm,為弱降水區(qū).弱降水區(qū)西部上空散度擾動(dòng)的垂直分布特征是輻散、輻合和輻散,使3 km以上高度為上升氣流,其下為下沉氣流.渦度擾動(dòng)正負(fù)值區(qū)呈兩條相鄰的帶,傾斜伸展;在徑向距離25 km處4 km以上高度,渦度擾動(dòng)正負(fù)值區(qū)與散度擾動(dòng)正負(fù)值區(qū)相重疊,有利于高層輻散和中低層輻合的發(fā)展;在4 km以下高度,散度擾動(dòng)的正值區(qū)與渦度擾動(dòng)負(fù)值區(qū)對(duì)應(yīng),使得低層氣流的輻散減弱,抑制下沉氣流,有利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展.臺(tái)風(fēng)登陸之后,由于受到下墊面的影響,眼墻處的5Min累計(jì)降水量不足3mm.徑向距離10—20 km處,低層大氣輻散,高層大氣輻合,導(dǎo)致中低層存在一定的上升運(yùn)動(dòng);在徑向距離30—40 km的眼墻處,近地面氣流輻散,其上為輻合區(qū),因此對(duì)應(yīng)的低層存在較弱的下沉氣流.渦度擾動(dòng)正負(fù)值區(qū)同樣呈帶狀傾斜分布,但水平影響范圍變寬,將促進(jìn)雨區(qū)西部低層的垂直上升運(yùn)動(dòng),抑制雨區(qū)低層的下沉運(yùn)動(dòng).

圖14 (網(wǎng)刊彩色)(a),(b),(c)10月4日02:05 UTC臺(tái)風(fēng)登陸前;(d),(e),(f)10月4日06:05 UTC登陸期間;(g),(h),(i)10月4日08:20 UTC登陸后1波垂直渦度擾動(dòng)、水平散度擾動(dòng)、垂直速度擾動(dòng)沿圖13 AB線的徑向-垂直分布.其中藍(lán)線代表在該徑向位置的5 Min累計(jì)降水量Fig.14.(color on line)Radial-vertical cross section of vertical vorticity,divergence,and vertical velocity in aziMu thal wavenumber 1 along line AB in Fig.13:(a),(b),(c)At 02:05 UTC 4 Oct 2015 before land fall;(d),(e),(f)at 06:05 UTC 4 Oct 2015 du ring land fall;(g),(h),(i)at 08:20 UTC 4 O ct 2015 after land fall.The b lue line rep resents the observed 5-Min p recipitation at the rad ial position.

從2波擾動(dòng)的垂直分布來(lái)看(圖15),臺(tái)風(fēng)登陸前,強(qiáng)降水中心高層輻散,其下方輻合,對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng);高層輻合帶的下方為較弱的輻散區(qū),對(duì)應(yīng)下沉運(yùn)動(dòng).強(qiáng)降水中心及其西側(cè)的正渦度擾動(dòng)和降水中心東側(cè)的負(fù)渦度擾動(dòng)有利于中高層垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展,不利于低層下沉氣流的發(fā)展.臺(tái)風(fēng)登陸時(shí),弱降水區(qū)西側(cè)上空10 km高度和4 km高度以上的散度擾動(dòng)同時(shí)為正,其下的散度擾動(dòng)同時(shí)為負(fù),兩處均為較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng);渦度擾動(dòng)在兩高度處都為上正下負(fù)的分布,散度得以增長(zhǎng),促進(jìn)了對(duì)流的發(fā)展.臺(tái)風(fēng)登陸之后,眼墻在對(duì)流層低層存在較弱的下沉運(yùn)動(dòng),其東側(cè)為較弱的垂直上升運(yùn)動(dòng),該處的正負(fù)渦度擾動(dòng)分布有利于加強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng),抑制對(duì)流發(fā)展.

圖15 (網(wǎng)刊彩色)(a),(b),(c)10月4日02:05 UTC臺(tái)風(fēng)登陸前;(d),(e),(f)10月4日06:05 UTC登陸期間;(g),(h),(i)10月4日08:20 UTC登陸后2波垂直渦度擾動(dòng)、水平散度擾動(dòng)、垂直速度擾動(dòng)沿圖13 AB線的徑向-垂直分布.其中藍(lán)線代表在該徑向位置的5 Min累計(jì)降水量Fig.15.(color on line)Radial-vertical cross section of vertical vorticity,divergence,and vertical velocity in aziMu thal wavenuMber 2 along line AB in Fig.13:(a),(b),(c)A t 02:05 UTC 4 Oct 2015 before land fall;(d),(e),(f)at 06:05 UTC 4 Oct 2015 du ring land fall;(g),(h),(i)at 08:20 UTC 4 O ct 2015 after land fall.The b lue line rep resents the observed 5-Min p recipitation at the radial position.

分析臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)渦旋Rossby波與地面降水之間的關(guān)系.圖16為臺(tái)風(fēng)登陸前、登陸期間、登陸后1波的垂直渦度擾動(dòng)、水平散度擾動(dòng)和垂直速度擾動(dòng)經(jīng)過(guò)圖13中AC黑色實(shí)線垂直剖面內(nèi)的分布.在臺(tái)風(fēng)登陸前,徑向30 km眼墻處的5Min累計(jì)降水量不足10mm,為弱降水區(qū),但是其上空3 km高度以上為散度擾動(dòng)負(fù)高值區(qū),其下主要為正高值區(qū),低層大氣輻散,中高層大氣輻合,眼墻處有強(qiáng)烈的垂直下沉運(yùn)動(dòng),這說(shuō)明臺(tái)風(fēng)西側(cè)的降水主要受2波、地形抬升及其他因素的影響.強(qiáng)降水區(qū)低層為正渦度擾動(dòng)高值區(qū),其上為負(fù)渦度擾動(dòng).正負(fù)渦度與正負(fù)散度配置相似,根據(jù)散度方程可知,下層的正渦度擾動(dòng)促進(jìn)散度增長(zhǎng),低層輻散加強(qiáng);高層的負(fù)渦度擾動(dòng)促進(jìn)負(fù)散度增加,高層輻合增強(qiáng),下沉運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),抑制對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,降水量在短時(shí)間內(nèi)有可能減弱.在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí),眼墻處的5 Min累計(jì)降水量超過(guò)10 mm,為強(qiáng)降水區(qū).強(qiáng)降水區(qū)上空散度擾動(dòng)的垂直分布特征是輻合、輻散和輻合,造成4 km以上高度為下沉氣流,其下為比較弱的上升氣流,臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)的降水仍然受1波的影響,作用較弱.4 km高度以上,渦度擾動(dòng)正負(fù)值區(qū)與散度擾動(dòng)正負(fù)值區(qū)相重疊,有利于高層輻合和中低層輻散的發(fā)展;在3 km以下高度,散度擾動(dòng)的負(fù)值區(qū)與渦度擾動(dòng)正值區(qū)對(duì)應(yīng),使得低層氣流的輻合減弱,抑制上升氣流,抑制對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展.臺(tái)風(fēng)登陸之后,可能由于地形作用加大了迎風(fēng)坡的降水,眼墻處的5Min累計(jì)降水量仍然超過(guò)10mm.眼墻處低層大氣輻合,高層大氣輻散,中低層存在一定的上升運(yùn)動(dòng),徑向距離10—20 km處存在下沉運(yùn)動(dòng),此處的正負(fù)渦度擾動(dòng)分布有助于增強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng),減弱上升運(yùn)動(dòng),對(duì)流發(fā)展受到抑制.

從2波擾動(dòng)的垂直分布來(lái)看(圖17),臺(tái)風(fēng)登陸前,弱降水中心的散度擾動(dòng)垂直分布為輻散、輻合、輻散.對(duì)應(yīng)3 km高度以上有較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng),其下對(duì)應(yīng)下沉運(yùn)動(dòng).強(qiáng)降水中心3 km高度以上的正渦度擾動(dòng)和其下的負(fù)渦度擾動(dòng)有利于中高層垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展,不利于低層下沉氣流的發(fā)展.臺(tái)風(fēng)登陸時(shí),徑向距離30 km處上空10 km高度和4 km高度以上散度擾動(dòng)同時(shí)為正,其下散度擾動(dòng)同時(shí)為負(fù),兩處均為較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng);渦度擾動(dòng)在兩高度處都為上正下負(fù)的分布,散度得以增長(zhǎng),促進(jìn)了對(duì)流的發(fā)展.臺(tái)風(fēng)登陸之后,眼墻在對(duì)流層低層存在較弱的下沉運(yùn)動(dòng),該處的正負(fù)渦度擾動(dòng)分布有利于加強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng),抑制對(duì)流發(fā)展.

因此,1波、2波的垂直渦度擾動(dòng)、水平散度擾動(dòng)和垂直速度擾動(dòng)主要發(fā)生在5 Min累計(jì)降水區(qū),三者的發(fā)展演變存在一定內(nèi)在聯(lián)系.在降水區(qū)上空的相同位置,當(dāng)渦度擾動(dòng)呈上正下負(fù)的配置,并與散度擾動(dòng)垂直配置相似時(shí),會(huì)加強(qiáng)低層輻合和高層輻散,有利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,降水增強(qiáng);當(dāng)渦度擾動(dòng)呈上負(fù)下正的垂直分布,并與散度擾動(dòng)分布相似,或渦度擾動(dòng)的垂直分布與散度擾動(dòng)相反時(shí),垂直運(yùn)動(dòng)受到抑制,制約對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展,降水減弱.上述分析表明,1波、2波擾動(dòng)的動(dòng)力配置可以影響對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變,對(duì)臺(tái)風(fēng)降水有一定的影響.同時(shí)對(duì)比臺(tái)風(fēng)中心東西兩側(cè),臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)的對(duì)流發(fā)展受渦旋Rossby波影響作用大于西側(cè),西側(cè)的降水主要受2波及其他因素的影響.

圖16 (網(wǎng)刊彩色)(a),(b),(c)10月4日02:05 UTC臺(tái)風(fēng)登陸前;(d),(e),(f)10月4日06:05 UTC登陸期間;(g),(h),(i)10月4日08:20 UTC登陸后1波垂直渦度擾動(dòng)、水平散度擾動(dòng)、垂直速度擾動(dòng)沿圖13 AC線的徑向-垂直分布.其中藍(lán)線代表在該徑向位置的5 Min累計(jì)降水量Fig.16.(color on line)Radial-vertical cross section of vertical vorticity,divergence,and vertical velocity in aziMu thal wavenumber 1 along line AC in Fig.13:(a),(b),(c)A t 02:05 UTC 4 Oct 2015 before land fall;(d),(e),(f)at 06:05 UTC 4 Oct 2015 du ring land fall;(g),(h),(i)at 08:20 UTC 4 O ct 2015 after land fall.The b lue line rep resents the observed 5-Min p recipitation at the rad ial position.

圖17 (網(wǎng)刊彩色)(a),(b),(c)10月4日02:05 UTC臺(tái)風(fēng)登陸前;(d),(e),(f)10月4日06:05 UTC登陸期間;(g),(h),(i)10月4日08:20 UTC登陸后2波垂直渦度擾動(dòng)、水平散度擾動(dòng)、垂直速度擾動(dòng)沿圖13 AC線的徑向-垂直分布.其中藍(lán)線代表在該徑向位置的5 Min累計(jì)降水量Fig.17.(color on line)Radial-vertical cross section of vertical vorticity,divergence,and vertical velocity in aziMu thal wavenuMber 2 along line AC in Fig.13:(a),(b),(c)A t 02:05 UTC 4 O ct 2015 before land fall;(d),(e),(f)at 06:05 UTC 4 Oct 2015 du ring land fall;(g),(h),(i)at 08:20 UTC 4 O ct 2015 after land fall.The b lue line rep resents the observed 5-Min p recipitation at the rad ial position.

6 結(jié)論

本文利用WRF模式對(duì)2015年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”登陸期間進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬,模擬結(jié)果較好地描述了成熟階段臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力、熱力精細(xì)結(jié)構(gòu)和臺(tái)風(fēng)雨帶的宏觀特征,在此基礎(chǔ)上,利用高時(shí)空分辨率的模擬輸出資料,采用尺度分離的方法——快速傅里葉分解,獲得渦旋Rossby波的擾動(dòng)場(chǎng)資料,進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)登陸前后渦旋Rossby波的特征,研究臺(tái)風(fēng)登陸前后渦旋Rossby波與眼墻和螺旋雨帶的關(guān)系以及對(duì)地面降水的影響,得到以下初步結(jié)論.

1)利用模式輸出資料,分析臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力、熱力垂直結(jié)構(gòu)及雨帶特征.臺(tái)風(fēng)登陸之前,在RMW處及其外側(cè)為底層徑向入流,高層徑向出流,形成底層輻合、高層輻散的動(dòng)力配置.另外在RMW附近,同時(shí)存在切向風(fēng)速高值區(qū)、垂直上升區(qū)、正溫度距平區(qū),并隨高度增加向外側(cè)傾斜,切向風(fēng)垂直切變顯著,最大上升垂直速度出現(xiàn)在高層,中高層6 km高度存在明顯的暖心結(jié)構(gòu).臺(tái)風(fēng)登陸期間,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增大,最大切向風(fēng)速、低層徑向入流和高層徑向出流有所增強(qiáng),暖心位置升高至8 km高度,正溫度距平增大.臺(tái)風(fēng)登陸之后,受到復(fù)雜下墊面的影響,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度明顯減弱,最大切向風(fēng)速、低層和高層徑向風(fēng)以及垂直上升速度都明顯減小,正溫度距平減小,臺(tái)風(fēng)開(kāi)始逐漸消散.從眼墻向外依次為眼墻處的混合雨帶、次級(jí)雨帶、主雨帶和遠(yuǎn)距離雨帶.眼墻處的垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,對(duì)流系統(tǒng)比較深厚.次級(jí)雨帶、主雨帶和遠(yuǎn)距離雨帶的雷達(dá)回波相對(duì)較弱,對(duì)流系統(tǒng)垂直厚度略小.

2)利用分離的擾動(dòng)場(chǎng)資料,分析臺(tái)風(fēng)登陸前后渦旋Rossby波的特征,即1波、2波同時(shí)朝切向和徑向傳播,但傳播特征不太一致,1波的振幅明顯大于2波.在切向方向,2波的傳播速度比1波快得多,2波的切向傳播速度大約是臺(tái)風(fēng)切向風(fēng)速的一半;在徑向方向,與2波相比,1波的傳播相對(duì)靜止.2波先徑向向內(nèi)傳播,之后徑向向外傳播,最遠(yuǎn)不超過(guò)停滯半徑.在臺(tái)風(fēng)登陸之前,2波的徑向傳播速度與螺旋雨帶徑向移速的量級(jí)一致.

3)渦旋Rossby波與眼墻和雨帶的關(guān)系以及對(duì)地面降水的影響.1波、2波擾動(dòng)影響范圍與眼墻和次級(jí)雨帶范圍較為一致,1波、2波正渦度擾動(dòng)對(duì)應(yīng)強(qiáng)雷達(dá)回波,存在強(qiáng)對(duì)流活動(dòng).這可能是因?yàn)檎郎u度擾動(dòng)造成散度增長(zhǎng),中低層氣流的輻散增強(qiáng),由此導(dǎo)致眼墻及其外側(cè)出現(xiàn)中低層氣流輻合增強(qiáng),垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展;負(fù)渦度擾動(dòng)高值區(qū)外側(cè)的對(duì)流較弱,則是由于1波、2波正渦度擾動(dòng)造成眼墻中低層輻散運(yùn)動(dòng)趨于增強(qiáng),垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱,對(duì)流系統(tǒng)得到抑制.同時(shí)1波、2波渦度擾動(dòng)、散度擾動(dòng)、垂直速度擾動(dòng)三者的發(fā)展演變存在一定的內(nèi)在聯(lián)系.在降水區(qū)上空的渦度擾動(dòng)呈上正下負(fù)的配置,并與散度擾動(dòng)的垂直配置相似時(shí),會(huì)加強(qiáng)低層輻合和高層輻散,有很強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng),有利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,降水增強(qiáng);當(dāng)渦度擾動(dòng)呈上負(fù)下正的垂直分布,并與散度分布相似,或渦度擾動(dòng)的垂直分布與散度分布相反時(shí),垂直運(yùn)動(dòng)受到抑制,制約了對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,降水減弱.因此,1波、2波擾動(dòng)的動(dòng)力配置影響了對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展,并對(duì)降水系統(tǒng)有一定的影響作用.

針對(duì)我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)實(shí)際個(gè)例——臺(tái)風(fēng)“彩虹”進(jìn)行模擬研究,在分析渦旋Rossby波特征的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步驗(yàn)證了渦旋Rossby波與眼墻中的高值雷達(dá)回波反射率相耦合的特點(diǎn).除此之外,還分析了渦旋Rossby波與鑲嵌眼墻中深厚濕對(duì)流的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及對(duì)地面降水的影響,但是欠缺對(duì)渦旋Rossby波傳播成因及波流相互作用的深入分析,因此渦旋Rossby波的位渦、動(dòng)量和能量收支,將是下一步的研究重點(diǎn).此外,混合慣性重力渦旋Rossby波的識(shí)別和特征分析也需要進(jìn)一步研究和分析.

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(Received 8 October 2016;revised Manuscrip t received 16 DeceMber 2016)

PACS:92.60.–e,92.60.Wc,92.60.OxDOI:10.7498/aps.66.089201

*Pro ject supported by the National Basic Research PrograMof China(G rant No.2015CB 452804),the Key PrograMof the Chinese AcadeMy of Sciences(Grant No.KZZD-EW-05),the Natural Science Foundation of Beijing,China(Grant No.8142035),and the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.41575065,41405049,91437215).

?Corresponding author.E-Mail:rlk@Mail.iap.ac.cn

H igh resolu tion nuMerical siMu lation of typhoon Mu jigae(2015)and analysis of vortex Rossby w aves?

Jiao Ya-Yin1)2)Ran Ling-Kun1)?Li Na1)Gao Shou-Ting1)Zhou Guan-Bo3)

1)(Institude of A tMospheric Physics,Chinese AcadeMy of Sciences,Beijing 100029,China)2)(University of Chinese AcadeMy of Sciences,Beijing 100049,China)3)(National Meteorological Center,Beijing 100081,China)

Mesoscale weather research and forecasting Model w ith high resolution is used to investigate the land fall process of typhoon Mujigae(2015).The simu lation well rep roduces the path,intensity and rain fall of the typhoon,especially before and after the land fall.The fine therMal and dynaMical structures of the typhoon Mujigae and itsMacroscopic characteristics of rain bands are exaMined w ith the simulation output.The rain band regions froMthe eyewall outward are coMposed of Mixing rain band,secondary rain band,principal rain band and distant rain band.The lower-level inflow and upper-level outflow are observed in the eyewall.TheMaximuMtangential w ind,strong upd raft and positive teMperature anoMaly are located in the eyewall and tilted outward w ith height.The convective systeMs in the eyewall w ith high radar reflectivity aremuch deeper than those in the principal rain band,secondary rain band and distant rain band.

In order to analyze the vortex Rossby waves,the fast Fourier transforMis perforMed to decoMpose the Model output variables into perturbationsw ith diff erent wavenumbers.The vorticity perturbations in the wavenumbers 1 and 2 have significant features in the azimuthal and radial p ropagation.The aMp litude of wavenumber 1 is larger than that ofwavenumber 2,while thewavenumber 2 propagatesmuch faster than thewavenumber 1 both in azimuthal and radial directions.Thewaves p ropagatew ith a speed less than 10m/s,which are in consistent w ith theMagnitudes of the radial velocities in spiral rain band.The aMp litude of vortex Rossby waves decreases quick ly beyond the stagnation radius which is about 90 kMfroMthe cyclone center.For the perturbations of wavenumbers 1 and 2,there are some intrinsic relations aMong the vertical vorticity,divergence and vertical velocity.The positive values of vertical vorticity w ith the two wavenumbers are associated w ith the strong reflectivity indicating deep convections.W hen the dipole patterns of positive vorticity in the upper level and negative vorticity in the lower level over the rainfall region are coup led w ith the pattern of divergence,the upper-level divergence and lower-level convergence are proMoted.Then,upd rafts are enhanced,which is favorable for the developMent of convective systeMand the increase of precipitation.On the other hand,the upd rafts can beweakened in two cases:i)the vertical distribution of negative vorticity in the upper level and positive vorticity in the lower level is siMilar to the divergence distribution;ii)the vertical distribution of vorticity is opposite to that of divergence.Consequently,the convective systeMs are inhibited and less rainfall is produced.The dynaMical structuresof vortex Rossby wavesw ith wavenumbers1 and 2 aff ect the development of deep convective systeMand precipitation in the typhoon Mujigae.

vortex Rossby waves,spiral rain bands,typhoon

10.7498/aps.66.089201

?國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2015CB 452804)、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):KZZD-EW-05)、北京自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):8142035)和國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41575065,41405049,91437215)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:rlk@Mail.iap.ac.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn